李愛

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

曲線匝道橋抗傾覆設(shè)計(jì)和已建橋梁加固措施研究

李愛

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

近年來(lái)城市立交的興建產(chǎn)生了大量小半徑曲線匝道橋。由于曲線橋主梁的扭轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致梁端支座受力不均，避免邊支座脫空和確保梁橋抗傾覆能力成為橋梁設(shè)計(jì)日益突出的重點(diǎn)。從下部支承設(shè)置和橋梁防支座脫空的關(guān)系出發(fā)，以某匝道橋設(shè)計(jì)實(shí)例為依據(jù)，通過(guò)空間有限元分析，提出匝道橋設(shè)計(jì)中推薦的支承設(shè)置方式。通過(guò)設(shè)計(jì)案例并結(jié)合近年頻發(fā)的安全事故，對(duì)已建匝道橋提高抗傾覆能力易行有效的加固措施進(jìn)行歸納總結(jié)。

曲線匝道橋；抗傾覆設(shè)計(jì)；支座脫空；加固措施

1 概述

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的發(fā)展，線形受既有結(jié)構(gòu)影響的城區(qū)高架和互通立交等曲線橋梁大量興建。曲線橋?qū)Φ匦蔚孛驳倪m應(yīng)性較強(qiáng)，且能較好地滿足受限空間下交通疏散的功能需求。曲線橋的應(yīng)用越來(lái)越普遍，尤其在立交匝道的設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛。

曲線橋雖然在空間布局上具有特殊優(yōu)點(diǎn)，但由于主梁平面彎曲而使得下部墩柱的支撐點(diǎn)不在同一條直線上，造成了其獨(dú)特的受力特點(diǎn)。除了文獻(xiàn)討論[1-2]的梁體彎扭耦合作用外，主梁扭轉(zhuǎn)傳遞到梁端時(shí)會(huì)造成各支座橫向受力不均甚至導(dǎo)致一側(cè)脫空而失效也是曲線橋的突出問(wèn)題。而后者往往和彎橋下部支承的結(jié)構(gòu)形式、支承點(diǎn)位置和邊界條件設(shè)置有關(guān)。

本文就匝道橋常見的支承形式進(jìn)行探討，研究支承點(diǎn)設(shè)置和小半徑曲線橋在極端荷載情況下支座脫空的關(guān)系。以某匝道橋設(shè)計(jì)優(yōu)化為背景，進(jìn)行空間有限元建模計(jì)算來(lái)尋求設(shè)計(jì)過(guò)程中相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)體系。最后，將計(jì)算經(jīng)驗(yàn)延伸至現(xiàn)有梁橋結(jié)構(gòu)的抗傾覆安全性討論，對(duì)使用較廣且相對(duì)便捷易行的橋梁加固措施進(jìn)行歸納總結(jié)。

2 支座布置和抗傾覆設(shè)計(jì)

2.1 曲線橋支座布置

目前，曲線梁橋一般是在聯(lián)的兩端設(shè)置抗扭或者抗彎扭支座，中間支座采取單點(diǎn)鉸支座，或者是鉸支座和抗扭支承的混合。常用的支座布置主要有兩類：第一類為在兩端設(shè)抗扭（抗彎扭）支承，中間設(shè)點(diǎn)鉸支承。在城市立交橋匝道中應(yīng)用較多，優(yōu)點(diǎn)是中間墩占地少，結(jié)構(gòu)輕盈美觀。第二類為兩端設(shè)抗扭支承，中間支承視場(chǎng)地情況采用點(diǎn)鉸支承和抗彎抗扭支承。此種支承受力情況有較大改善，但通常墩柱的外觀效果較差。

2.2 抗傾覆設(shè)計(jì)

由于曲線梁橋特殊的受力特點(diǎn)，因此其支承布置必須滿足在自重和活載偏載等因素所產(chǎn)生的組合作用下，曲線梁橋不至于傾覆?！豆蜂摻Y(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）[3]（以下簡(jiǎn)稱“鋼規(guī)”）和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（討論稿）（JTG D62）（以下簡(jiǎn)稱“混規(guī)討論稿”）[4]規(guī)定采用整體式斷面的梁橋應(yīng)驗(yàn)算上部結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆能力。上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足：

式中：γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù);Sbk為上部結(jié)構(gòu)傾覆的汽車荷載（含沖擊作用）標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng);Ssk為上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。

然而在小半徑匝道橋的具體設(shè)計(jì)中，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。而從結(jié)構(gòu)受力角度分析，梁橋傾覆過(guò)程是在極端汽車荷載的傾覆作用下，單向受壓支座依次脫空，由邊界條件失效而失去平衡的過(guò)程。因此，“鋼規(guī)”要求“在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)”?！盎煲?guī)討論稿”也給出另外說(shuō)明：“在箱梁橋傾覆過(guò)程分析中，橋臺(tái)側(cè)支座容易脫空，這是傾覆過(guò)程的開始，這時(shí)結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生變化，因此在作用標(biāo)準(zhǔn)值組合（汽車荷載考慮沖擊作用）下不應(yīng)出現(xiàn)支座脫空?！?/p>

因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，只要控制單向受壓支座不出現(xiàn)負(fù)反力且預(yù)留一定的壓力儲(chǔ)備，就能確保橋梁結(jié)構(gòu)受力體系不發(fā)生變化，進(jìn)而從根本上避免梁橋傾覆過(guò)程的發(fā)生。特別對(duì)曲線匝道橋，彎曲小半徑導(dǎo)致梁端支反力嚴(yán)重不平衡時(shí)，確保內(nèi)側(cè)支座不發(fā)生脫空是設(shè)計(jì)計(jì)算中確?？箖A覆穩(wěn)定簡(jiǎn)單有效且充分的手段。

3 工程實(shí)例驗(yàn)算

3.1 驗(yàn)算模型

某立交SW匝道上跨主線道路為單聯(lián)（30+40+ 40+30）m的四跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，平面上位于半徑120 m和180 m的圓弧線過(guò)渡段采用多段線連接。上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁，橋?qū)? m。主梁斷面如圖1所示。

圖1 橋梁橫斷面

計(jì)算通過(guò)對(duì)比不同支承設(shè)置的工況下（見表1）的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以求確定曲線匝道橋最佳的支座設(shè)置，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全要求。

連續(xù)梁計(jì)算模型采用空間桿系法（采用Midas/Civil計(jì)算軟件），如圖2所示?？臻g模型計(jì)算時(shí)支座按照實(shí)際設(shè)置。計(jì)算荷載作用主要包含恒載、汽車荷載（考慮沖擊）、汽車離心力、系統(tǒng)溫度、溫度梯度和不均勻沉降等。

表1 小半徑曲線匝道橋驗(yàn)算工況

圖2 曲線匝道橋空間計(jì)算模型

3.2 驗(yàn)算結(jié)果

在上述驗(yàn)算工況下，支座的最小反力見表2。

由計(jì)算分析可知，匝道梁的支反力呈現(xiàn)明顯的不均勻性，特別是邊墩，甚至出現(xiàn)負(fù)值，表現(xiàn)為支座脫空現(xiàn)象。

（1）工況一梁端邊支座內(nèi)側(cè)均出現(xiàn)數(shù)值較大的負(fù)反力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需盡量避免。

（2）對(duì)比工況一和工況三的反力結(jié)果，可得知中墩設(shè)置雙支座對(duì)小半徑曲線梁邊墩支反力均勻分布非常有效，在可能的情況下優(yōu)先推薦采用此種支座布置形式。

（3）工況一、二和工況三、四的支反力對(duì)比可知，邊墩設(shè)置偏心對(duì)中墩的支反力幾乎沒(méi)有影響，但能積極有效地調(diào)節(jié)邊墩支反力分布，在支座設(shè)置受限的情況下可作為輔助措施。

表2 各驗(yàn)算工況下支座的最小反力kN

對(duì)工況四的偏心距大小進(jìn)行研究，由圖3可以看出，邊墩內(nèi)外側(cè)支反力分布對(duì)偏心距調(diào)整很敏感。合理設(shè)置偏心距能有效控制邊墩內(nèi)側(cè)支反力大小，避免負(fù)值出現(xiàn)，確保結(jié)構(gòu)抗傾覆安全。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于匝道橋梁底較窄，過(guò)大的偏心設(shè)置需設(shè)計(jì)較大的端橫梁和門式墩柱，景觀效果較差。

圖3 驗(yàn)算工況四偏心距和邊墩支反力變化圖

在本設(shè)計(jì)中由于此匝道為單聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)允許在兩側(cè)橋臺(tái)端橫梁加寬底板使得支座間距增至4.6 m，即工況五所示。在邊墩無(wú)須設(shè)置偏心的情況下，Pm0和Pm4邊墩內(nèi)側(cè)支反力分別為709kN和658 kN。此設(shè)計(jì)對(duì)橋梁景觀影響較小，且支座壓力儲(chǔ)備富裕無(wú)脫空風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)抗傾覆安全。

4 加固措施歸納

過(guò)去的設(shè)計(jì)并未對(duì)梁橋的橫向抗傾覆穩(wěn)定性引起足夠重視，導(dǎo)致近年來(lái)發(fā)生多起橋梁坍塌和側(cè)翻事故。坍塌橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多為上述工況一的情況，即中墩為單支座點(diǎn)鉸支承。事故發(fā)生原因?yàn)槌d偏載作用導(dǎo)致一側(cè)支座出現(xiàn)負(fù)反力繼而脫空，主梁支座失效進(jìn)而橫向傾覆失穩(wěn)。近年來(lái)，除“鋼規(guī)”和“混規(guī)討論稿”明確提出橋梁需進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算外，廣東省也從事故中吸取經(jīng)驗(yàn)，頒布《廣東省公路獨(dú)柱墩橋梁設(shè)計(jì)與整治工程指導(dǎo)意見》（粵交基〔2015〕1049號(hào)），明確要求對(duì)轄區(qū)內(nèi)已建橋梁進(jìn)行抗傾覆計(jì)算并按需進(jìn)行加固。

因此，對(duì)于大多數(shù)抗傾覆穩(wěn)定性不足的已建橋梁，改變結(jié)構(gòu)支承設(shè)置避免出現(xiàn)負(fù)反力或采取措施來(lái)抵抗可能出現(xiàn)的負(fù)反力是避免傾覆事故的根本。常用的加固方法基本分兩類：第一類設(shè)置雙支承加固，第二類是更改支座性能。

4.1 雙支承加固

此加固法原理是改變或優(yōu)化結(jié)構(gòu)原有的支承體系，主要方法有將原有點(diǎn)鉸單支承變成抗扭雙支承，或增大支座間距，提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能[5]。

當(dāng)原墩柱承載能力富裕的時(shí)候，可以采用增設(shè)蓋梁加固法。此方法考慮抗傾覆穩(wěn)定所需的支座間距對(duì)蓋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，頂升箱梁，更換成雙支座（見圖4a）。當(dāng)原墩柱承載能力富余不大的時(shí)候，加固措施需同時(shí)加固墩柱設(shè)計(jì)。方法可在原有立柱橫向兩側(cè)增設(shè)鋼柱，并在新增立柱頂部設(shè)置支座形成橫向雙柱式橋墩來(lái)提高立柱承載能力和橫向抗傾覆穩(wěn)定性（見圖4b）?；蚶迷罩信_(tái)，增大立柱橫向尺寸至所需寬度，設(shè)置雙支座（見圖4c）。

圖4 更換雙支座加固

此方法的優(yōu)點(diǎn)是中間單支承改成雙支承，經(jīng)計(jì)算確定的雙支承距離可確保在極限偏載情況下不發(fā)生支座脫空，則可確保箱梁不發(fā)生傾覆破壞。缺點(diǎn)是改變了原有箱梁的橫梁受力模式，需結(jié)合結(jié)構(gòu)配筋重新計(jì)算。由于也改變了立柱結(jié)構(gòu)，也需對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。

除了以上中墩的處理方法外，加固措施還可邊墩位置拉開支座間距。根據(jù)計(jì)算確定距離，如此確保在基本組合下支座不發(fā)生脫空且在極限偏載情況下箱梁整體抗傾覆穩(wěn)定性能滿足要求（見圖5）。此方法的使用同理也改變了原有橫梁和蓋梁的受力模式，也需結(jié)合配筋原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖5 增加邊墩支座間距加固

4.2 更改支座性能

更改支座性能是對(duì)原有的承壓支座增設(shè)抗拔銷裝置或者抗拉鋼筋，來(lái)抵抗不利活載工況下支座可能出現(xiàn)的負(fù)反力。此方法的優(yōu)點(diǎn)是操作相對(duì)簡(jiǎn)單，構(gòu)造設(shè)計(jì)不影響結(jié)構(gòu)的原有受力模式。但缺點(diǎn)也很明顯，抗拔銷裝置和抗拉鋼筋如需承受大的拉拔力則構(gòu)造及施工難度大，因此只適用于拉力較小的情況，適用范圍較窄。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)小半徑曲線匝道橋的受力特性和支承設(shè)置進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）分析了曲線梁橋的受力特性以及設(shè)計(jì)常用的支座布置形式，對(duì)現(xiàn)行規(guī)范的驗(yàn)算規(guī)定進(jìn)行研究，提出確保梁端邊支座不出現(xiàn)脫空是確保結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆穩(wěn)定簡(jiǎn)單有效且充分的控制手段。

（2）通過(guò)設(shè)計(jì)案例分析小半徑曲線匝道橋的支座設(shè)置方式以及偏心設(shè)置對(duì)邊墩支反力的影響，提出在小半徑曲梁的設(shè)計(jì)中，支座盡可能設(shè)置成抗扭雙支座，并在邊墩合理設(shè)置偏心，可有效避免負(fù)反力的出現(xiàn)。在條件允許的情況下加大邊支座間距，也是提高邊墩支座壓力儲(chǔ)備的有效方法。

（3）根據(jù)案例分析結(jié)果，對(duì)已建成橋梁的目前流行的抗傾覆加固措施進(jìn)行歸納，最有效的途徑是改變結(jié)構(gòu)的支承方式，避免支座出現(xiàn)脫空，提高原有結(jié)構(gòu)的抗傾覆安全性。

[1]姚玲森.曲線梁［M］.北京：人民交通出版社,1989.

[2]孫廣華.曲線梁橋計(jì)算［M］.北京:人民交通出版社，1994.

[3]JTG D62，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(討論稿)[S].

[4]JTG D64—2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]王志浩.獨(dú)柱墩梁橋的抗傾覆分析及加固對(duì)策研究[D].西安：長(zhǎng)

安大學(xué)，2014.

U445.7+2

B

1009-7716（2017）03-0105-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.029

2017-01-10

李愛（1983-），女，湖南邵陽(yáng)人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。